CCHP ad energia solare

J. Wang et al. [3] hanno determinato teoricamente (tramite modello matematico specificamente elaborato) le prestazioni di un sistema CCHP attivato tramite energia solare e costituito da una combinazione tra il ciclo Rankine ed il ciclo frigorifero con eiettore (Figura 3.1 [3]):

a) Sottosistema ad energia solare:

– Il primo fluido termovettore (acqua), circolante nel rispettivo circuito chiuso, dapprima assorbe la potenza termica ceduta dai collettori solari ossia concentratori solari di forma parabolica (trasf. 13-14) ed in seguito esso cede potenza termica (trasf. 14-13) al serbatoio “Thermal storage” (usato per lo stoccaggio dell’energia termica) in cui è presente il secondo fluido termovettore (acqua);

– Il secondo fluido termovettore, circolante nel rispettivo circuito chiuso, dapprima assorbe la potenza termica ceduta da Thermal Storage (trasf. 16-15) ed in caso di insufficienza di quest’ultima esso assorbe la potenza termica ceduta dallo scambiatore di calore ausiliario “Auxiliary heater” (trasf. 15- 15’) e poi esso cede potenza termica nel boiler al fluido di lavoro del sistema CCHP (trasf. 15’-16). b) Sistema CCHP:

– Il fluido di lavoro del sistema CCHP (R123), a seguito della potenza termica ceduta nel boiler dal secondo fluido termovettore del sottosistema ad energia solare (trasf. 1-2), esce dal boiler nella fase di vapore surriscaldato ed in seguito circola nella turbina (trasf. 2-5), dalla quale sono prelevate due aliquote del fluido di lavoro nella fase di vapore surriscaldato (punti 3’, 3”) alla medesima pressione; – La prima aliquota di vapore surriscaldato prelevata dalla turbina (punto 3’) dapprima circola nello

scambiatore di calore “Heater” ove fornisce potenza termica all’utenza (trasf. 3’-11) ed in seguito circola nel miscelatore “Rigenerator” (punto 11);

– La seconda aliquota di vapore surriscaldato prelevata dalla turbina (punto 3’’) rappresenta il fluido primario dell’eiettore mentre il fluido di lavoro del sistema CCHP nella fase di vapore saturo secco in uscita dall’evaporatore (punto 9) rappresenta il fluido secondario del suddetto eiettore. Il vapore surriscaldato in uscita dall’eiettore (punto 4) ed il vapore surriscaldato in uscita dalla turbina (punto 5), aventi la medesima pressione, sono tra di loro miscelati (punto 6);

– Il vapore surriscaldato ottenuto a seguito della miscelazione (punto 6) circola nel condensatore ove fornisce potenza termica all’utenza (trasf. 6-7), uscendo in fase di liquido saturo (punto 7). Quest’ultimo è suddiviso in due aliquote, in particolare la prima aliquota è inviata nella pompa di circolazione “Pump 1” (punto 7’), la seconda aliquota è inviata nella valvola di laminazione (punto 7”); – La prima aliquota del fluido di lavoro in fase di liquido saturo in uscita dalla pompa di circolazione

(punto 10) ed il fluido di lavoro in uscita dallo scambiatore di calore “Heater” (punto 11), aventi la medesima pressione, sono tra di loro miscelati (punto 12);

– Il fluido in fase di liquido saturo, ottenuto a seguito della miscelazione (punto 12), è inviato nella pompa di circolazione “Pump 2” (trasf. 12-1);

– La seconda aliquota del fluido di lavoro in fase di vapore saturo umido in uscita dalla valvola di laminazione (punto 8) circola nell’evaporatore ove fornisce potenza frigorifera all’utenza (trasf. 8-9), uscendo nella fase di vapore saturo secco (punto 9).

Figura 3.1. CCHP ad energia solare [3].

3.3. CCHP alimentati da fonti fossili

Nella Figura 3.2 è illustrato lo schema di un sistema CCHP alimentato principalmente da fonti fossili (gas naturale) ed in misura ridotta da fonti rinnovabili (energia solare ed energia geotermica a bassa entalpia) operante in accordo alle seguenti due modalità tra di loro alternative [4]:

a) Prima modalità:

– I gas prodotti dalla combustione di fonti fossili circolano nella turbina a gas per la produzione di potenza elettrica, in particolare quest’ultima è parzialmente formita all’utenza e parzialmente usata per movimentare il compressore della pompa di calore (“Compression heat pump”, PdC). I gas combusti in uscita dalla turbina sono suddivisi in due aliquote, in particolare la prima aliquota è inviata nel chiller ad assorbimento e la seconda aliquota è inviata nello scambiatore di calore;

– Il fluido di lavoro della PdC assorbe nell’evaporatore la potenza termica ceduta dal fluido geotermico a bassa entalpia ed inoltre esso fornisce nel condensatore la potenza termica per la produzione di acqua calda (avente temperatura pari a 28 °C);

– Il fluido termovettore (acqua) assorbe la potenza termica ceduta nei collettori solari dalla radiazione solare ed in seguito è miscelato con l’acqua calda in uscita dalla PdC;

– Il fluido di lavoro del chiller ad assorbimento assorbe la potenza termica ceduta a temperatura maggiore (nel generatore) ed a temperatura minore (nell’evaporatore) rispettivamente dalla prima aliquota dei gas combusti in uscita dalla turbina a gas e dall’acqua calda in uscita dalla PdC e dai collettori solari. Il fluido di lavoro di tale chiller cede potenza termica nel condensatore ad un fluido termovettore (acqua avente temperatura pari a 60 °C) ed inoltre esso cede potenza termica nell’assorbitore all’aria atmosferica; – Il fluido termovettore (acqua) assorbe nello scambiatore di calore “Heat exchanger” la potenza termica

ceduta dalla seconda aliquota dei gas combusti in uscita dalla turbina a gas ed in seguito è miscelato con l’acqua calda in uscita dal chiller ad assorbimento al fine di eseguire la fornitura di potenza termica all’utenza (per riscaldamento invernale di ambienti confinati e produzione di acqua calda sanitaria). b) Seconda modalità:

– I gas combusti prodotti dalla combustione di fonti fossili circolano nella turbina a gas per la produzione di potenza elettrica, in particolare quest’ultima è parzialmente formita all’utenza e parzialmente usata per movimentare il compressore della pompa di calore (“Compression refrigerator”, PdC). I gas combusti in uscita dalla turbina sono suddivisi in due aliquote, in particolare la prima aliquota è inviata nel chiller ad assorbimento e la seconda aliquota è inviata nello scambiatore di calore;

– Il fluido di lavoro della PdC cede potenza termica nel condensatore al fluido geotermico ed inoltre esso fornisce nell’evaporatore la potenza frigorifera al fluido termovettore (acqua) dell’utenza;

– Il fluido di lavoro del chiller ad assorbimento assorbe la potenza termica ceduta a temperatura maggiore (nel generatore) ed a temperatura minore (nell’evaporatore) rispettivamente dalla prima aliquota dei gas combusti in uscita dalla turbina a gas e dal fluido termovettore (acqua) dell’utenza. Quest’ultimo in uscita dal chiller è miscelato con l’acqua dell’utenza in uscita dalla PdC al fine di eseguire la fornitura di potenza frigorifera all’utenza. D’altra parte il fluido di lavoro del chiller cede potenza termica a temperatura minore (nell’assorbitore) al fluido geotermico ed inoltre esso cede potenza termica a temperatura maggiore (nel

condensatore) al fluido termovettore (acqua) dell’utenza. Quest’ultimo è miscelato con l’acqua calda in uscita dai collettori solari al fine di eseguire la fornitura di potenza termica all’utenza (per produzione di acqua calda sanitaria);

– Un fluido termovettore (acqua) dapprima assorbe nello scambiatore di calore “Heat exchanger” la potenza termica ceduta dalla seconda aliquota dei gas combusti in uscita dalla turbina a gas ed in seguito fornisce potenza termica all’utenza (per la produzione di acqua calda sanitaria).

L’indicatore TPES associato al sistema CCHP in esame è pari a 0.46 e 0.32 rispettivamente nella prima e nella seconda modalità [4].

Figura 3.2. CCHP alimentato da fonti fossili e rinnovabili [4].

Nella Figura 3.3 è rappresentato lo schema di un sistema CCHP alimentato esclusivamente da fonti fossili ed integrato con un processo per la desalinizzazione dell’acqua marina:

– I gas combusti prodotti dalla combustione di fonti fossili circolano nella turbina a gas per la produzione di potenza elettrica, in particolare quest’ultima è parzialmente formita all’utenza e parzialmente usata per movimentare il compressore della pompa di calore (“Compression refrigerator”, PdC);

– I gas combusti in uscita dalla turbina a gas circolano dapprima nel boiler ove cedono potenza termica ad un fluido termovettore (acqua) per la produzione di vapore e poi essi circolano nello scambiatore di calore ove eseguono la fornitura di potenza termica all’utenza (per produzione di acqua calda sanitaria);

– Il fluido di lavoro della PdC cede nel condensatore la potenza termica all’aria atmosferica ed inoltre esso fornisce nell’evaporatore la potenza frigorifera all’acqua dell’utenza;

– Il fluido di lavoro del chiller ad assorbimento assorbe la potenza termica ceduta a temperatura maggiore (nel generatore) ed a temperatura minore (nell’evaporatore) rispettivamente dalla prima aliquota di vapore acqueo in uscita dal boiler e dall’acqua dell’utenza. Quest’ultima in uscita dal chiller è miscelata con l’acqua dell’utenza in uscita dalla PdC al fine di eseguire la fornitura di potenza frigorifera all’utenza. Inoltre il fluido di lavoro del chiller cede nell’assorbitore e nel condensatore, ad altrettante sorgenti termiche, la potenza termica rispettivamente a temperatura minore ed temperatura maggiore;

– La seconda aliquota del vapore acqueo in uscita dal boiler cede potenza termica nello scambiatore di calore (“Heat exchanger”) per la fornitura di potenza termica all’utenza;

– La terza aliquota del vapore acqueo in uscita dal boiler cede potenza termica nel Distillatore Multi-Effetto (Muli-Effect Distillator, MED) al fine di ottenere acqua desalinizzata.

L’indicatore TPES associato al sistema CCHP in esame assume valore massimo pari a 0.37 [4].